Гранулометрический и фракционный состав бурового шлама

При выборе оборудования для ЭР-бурения скважин необходимо иметь подробную характеристику разрушенной горной породы (шлама) в целом и отдельных наибольших ее кусков, подлежащих перемещению из призабойной зоны на поверхность.

Проходка скважин состоит из двух основных этапов - отбойки горной породы от массива и извлечения отбитой породы на поверхность. Условия разрушения породы, очистки забоя и выноса разрушенной породы на поверхность при ЭР-бурении существенно отличаются от аналогичных процессов при традиционных механических способах бурения.

Непременным условием эффективного ЭР-бурения является своевременная и полная очистка призабойной зоны от продуктов разрушения горной породы и продуктов разложения промывочной жидкости за промежуток времени между импульсами. В противном случае происходит вторичное измельчение (переизмельчение) шлама или очередные разряды проходят по газопаровым выделениям (полостям). Все это приводит к снижению производительности, повышению энергозатрат и уменьшению скорости бурения.

Для выбора условий удаления бурового шлама (интенсивности промывки) необходимо знать его гранулометрический и фракционный состав, т. к. они в значительной степени определяют конструктивные параметры бурового наконечника и бурового снаряда, предельную рабочую частоту посылки импульсов на забой. Необходимо добиваться не только исключения переизмельчения шлама, но и заклинивания бурового снаряда в скважине при прямой схеме промывки или закупорки шла- мопровода в снаряде с обратной схемой промывки.

На сегодня невозможно априори определить ожидаемые характеристики шлама и параметры системы промывки скважины. Необходимы соответствующие экспериментальные исследования и обобщение накопленного эмпирического материала. Для скважин больших диаметров при расстояниях между электродами более 45 мм анализ шлама при бурении выполнен авторами [16]. В качестве энергетической характеристики разрушения принята величина энерговклада. Основные эксперименты выполнены при бурении скважин в микрокварците, граните, песчанике и известняке.

В лабораторных исследованиях использована двухэлектродная система, установленная на одну поверхность образца горной породы, помещенного в трансформаторное масло. Диаметр электродов 10 мм. Контактная поверхность электродов с поверхностью образца - плоский срез. Рабочей средой являлись соляровое масло (при бурении в полевых условиях) или трансформаторное масло (при бурении в лабораторных условиях).

ЭР-бурение скважин осуществлялось буровыми снарядами с многоэлектродными буровыми наконечниками с различными расстояниями между электродами S. Разрушенная горная порода (шлам) выносилась из скважины соляровым маслом на поверхность и собиралась в отстойнике.

После окончания бурения шлам извлекался из отстойника, сушился, просеивался при помощи стандартных сит для разделения по фракциям. Диаметр отверстий сит изменялся от 5 до 20 мм. Фракции взвешивались, определялось процентное содержание каждой фракции Р. В самой крупной фракции отбирали наибольшие куски, которые характеризовали средними значениями длины I, ширины Ъ и толщины h . В данном случае результат неизбежно зависит от методики получения средних величин: чем больше выбрано кусков в данном опыте, тем меньшее значение размера будет получено. Для измерений выбирались 10 наиболее крупных кусков. Из них отбирался один с максимальными размерами и измерялись его длина /тах, ширина 6тах и толщина /гтах; точность измерения составляла ±0,1 мм.

В лабораторных исследованиях замеры отбитых кусков горной породы проводились после воздействия каждого импульса напряжения.

Как отмечалось выше, особенностью ЭР-бурения горных пород является отбойка крупным сколом. Это подтверждают результаты наблюдения относительных максимальных размеров единичных кусков шлама от расстояния между электродами как при отбойке двумя электродами, так и при бурении скважин при разных значениях энерговклада Ws, табл. 7.5. Видно, что изменение S и Ws практически не влияет на относительные размеры /тах, bmax, hmax. Максимальная длина куска в первую очередь определяется длиной канала разряда; при указанных S следует ожидать длину кусков /тах < 1,25S. Ширина наибольшего куска - величина случайная и определяется, в первую очередь, траекторией канала разряда и свойствами горной породы (крепость, хрупкость, минералогический состав и др.). Из полученных результатов ожидаемая максимальная ширина 6max< 0,956. Толщина куска определяется глубиной внедрения канала разряда в горную породу. Наиболее вероятная глубина внедрения составляет ~ 0,326 [6]. Но толщина куска существенно больше (hmax < 0,4S). Исходя из приведенных соотношений максимальных размеров кусков шлама, можно констатировать, что он имеет лещадную форму и, следовательно, при промывке можно ориентироваться на наибольшие размеры Ьтах и /гтах.

Таблица 7.5

Относительные максимальные размеры кусков шлама

Г орная порода

S, мм

W„ Дж/мм

UJS

br^/S

hm^/S

Разрушение двухэлектродной системой

Гранит

60

10,2

1,15

0,65

0,27

20,4

0,92

0,72

0,38

30,0

1,03

0,67

0,25

48,0

0,81

0,42

0,28

90

20,6

1,08

0,70

0,41

120

15,0

1,02

0,76

0,26

20,1

1,01

0,63

0,27

Бурение скважины буровым наконечником

Гранит

60

5,2

1,17

0,95

0,32

7,5

1,23

0,73

0,33

10,2

1,25

0,95

0,38

15,0

1,03

0,75

0,30

18,1

0,95

0,73

0,32

19,0

1,06

0,58

0,32

20,4

0,97

0,77

0,30

Появление кусков шлама максимальных размеров случайное и относительно редкое событие. В этой связи представляет интерес анализ средних размеров наиболее крупных кусков шлама, исключая экстремально большие. На рис. 7.14 приведены зависимости средних размеров наиболее крупных кусков шлама от расстояния между электродами при энерговкладе fVs= 18-22 Дж/мм для гранита [151] и микрокварцита, полученные как при эксперименте с двухэлектродной системой, так и при бурении. Видно, что для гранита во всех случаях изменения Т, b, h =j{S) могут быть описаны линейными зависимостями типа

где а, с, к - экспериментальные коэффициенты, зависящие от свойств горной породы. Для гранита получены значения а = 0,8, с = 0,55, к =0,25, а для микрокварцита, 0,7; 0,46 и 0,23, соответственно. На рис. 7.14 наблюдается некоторое отклонение Т, Ъ от линейной зависимости, что обусловлено методическими особенностями измерений. Удовлетворительное совпадение для И обусловлено слабой зависимостью глубины внедрения канала разряда от физико-механических свойств горных пород [6].

Зависимость средних значений наибольших размеров кусков шлама для микрокварцита [33] и гранита от расстояния между электродами для W = 18-22 Дж/мм

Рис. 7.14. Зависимость средних значений наибольших размеров кусков шлама для микрокварцита [33] и гранита от расстояния между электродами для Ws = 18-22 Дж/мм: 1-Т ;2-Ъ; З-Ъ

Априори можно утверждать, что изменение энерговклада в канал разряда должно оказывать влияние на гранулометрический состав шлама при ЭР-разрушении. Как показано ранее, энерговклад не оказывает влияния на максимальные размеры отдельных частиц, однако он сказывается на средних значениях I ,b,h. На рис. 7.14 приведены зависимости изменения I, b, h от энерговклада в канал разряда для гранита при S = 60 мм как при экспериментах с двумя электродами, так и при бурении.

Зависимость средних значений наибольших размеров кусков шлама для гранита от величины энерговклада при S = 60 мм

Рис. 7.15. Зависимость средних значений наибольших размеров кусков шлама для гранита от величины энерговклада при S = 60 мм: 1 — I; 2 — b; 3 —h

Видно, что увеличение энерговклада в 5 раз вызывает уменьшение средних размеров I, b, h шлама в 1,46, 1,8, 1,6 раза, соответственно. Аналогичные зависимости для гранита в исследованном диапазоне Ws могут быть представлены в виде линейных уравнений:

где для гранита при S = 60 мм /0 = 55 мм, 60=40мм, /?0 = 18мм; а = 0,375, с1 = 0,45, к = 0,15.

Из рис. 7.15 и (7.6) следует, что, изменяя энерговклад в канал разряда, можно регулировать средние размеры наиболее крупных кусков получаемого шлама.

С точки зрения оптимизации промывки скважины важно знать фракционный состав шлама в зависимости от условий бурения. Авторами [16] исследовано влияние на размеры кусков шлама расстояния между электродами S, энерговклада Ws и крепости горных пород

На рис. 7.16, а представлены зависимости изменения относительного веса разных фракций от расстояния между электродами для микрокварцита (для S < 30 мм фракция + 20 мм отсутствует), а на рис. 7.16, б - для гранита.

Зависимость фракционного состава шлама от расстояния между электродами для W = 20—35 Дж/мм

Рис. 7.16. Зависимость фракционного состава шлама от расстояния между электродами для Ws = 20—35 Дж/мм: а - бурение микрокварцита; б - бурение гранита:

1 - фракция -5 мм; 2 - фракция +5 мм; 3 - фракция +10 мм; 4 - фракция +20 мм

В процессе разрушения твердого тела искровым разрядом выделяют четыре последовательных стадии: 1) движение совокупности большого числа радиальных трещин; 2) увеличение количества трещин, которое возрастает с увеличением скорости энерговыделения; 3) резкое уменьшение количества движущихся трещин, при сохранении скорости их роста максимальной; 4) сохраняется несколько подвижных одиночных трещин, которые при наложенных электродах выходят на поверхность твердого тела [6, 8]. Наличие и объем мелких фракций в первую очередь определяются первыми двумя стадиями, а размер наиболее крупных кусков разрушенной породы - количеством трещин, вышедших на свободную поверхность. Их число коррелирует с энергией, выделенной в канале [6].

Известно, что гранулометрический состав шлама зависит от расстояния между электродами. Например, для S < 30 мм отсутствует шлам размером 20 мм и более; крупным может считаться шлам размером 5 мм и более, для S > 45 мм - шлам размером более 20 мм. В связи с неопределенностью классификации состава шлама «крупный-мелкий», ниже шлам фракции -5 мм отнесен к мелкому, а фракции +20 мм - к крупному. Промежуточные значения фракций +5 мм, +10 мм в зависимости от S могут быть отнесены как к мелким (для S> 45 мм), так и к крупным (для S < 30 мм) фракциям. Тогда в исследованном диапазоне расстояний между электродами можно утверждать, что с увеличением S быстро уменьшается доля мелкого шлама, рис. 7.16, а (кривая 1), и возрастает доля крупного шлама, рис. 7.16, а (кривые 2, 3).

На рис. 7.16, б приведены зависимости относительной величины (%) фракционного состава шлама при бурении скважин большого диаметра (Z)CKB = 300—400 мм) при различных расстояниях между электродами бурового наконечника (S =45-120 мм) и различном энерговкладе (Ws = 20-35 Дж/мм для S=45-60 мм и Ws = 40-61 Дж/мм для S = 80-120 мм). Повысилась доля фракции очень мелкого шлама (-5 мм) для S > 80 мм, за которую ответственны первая и вторая стадии переизмельчения и трещинообразования при выделении энергии в канале разряда. Предположительно это обусловлено значительным (в 1,74-2,0 раза) повышением энерговклада для S- 80-120 мм, что неизбежно вызывает увеличение диаметра области переизмельчения материала вблизи канала разряда [15, 19]. Это подтверждается данными рис. 7.16. На рис. 7.16, б доля других мелких фракций (+5 мм, +10 мм) относительно исследованных расстояний между электродами снижается, а доля крупных фракций (+20 мм) возрастает в 5,6 раза при увеличении S в 2,7 раза, как и для микрокварцита, рис. 7.16, а (кривая 3). Данные зависимости указывают на то, что с увеличением S энергетическая эффективность ЭР-бурения существенно возрастает, особенно при S > 45 мм, так как увеличивается доля крупных фракций.

При увеличении энергии снижается средний размер куска разрушенного материала. Зависимость фракционного состава шлама при бурении микрокварцита при S = 20 мм от энерговклада показана на рис. 7.17.

Зависимость фракционного состава шлама от величины энерговклада при бурении микрокварцита, S = 20 мм

Рис. 7.17. Зависимость фракционного состава шлама от величины энерговклада при бурении микрокварцита, S = 20 мм:

1 - фракция -5 мм; 2 - фракция +5 мм; 3 - фракция +10 мм

Видно, что с повышением энерговклада происходит увеличение доли мелкой фракции (-5 мм) и уменьшение крупных (+5, +10 мм). При увеличении энерговклада в 4.1 раза прирост доли мелкой фракции составил 10 %, а для крупных фракций она снизилась на 6 %, т. е. рост энерговклада влияет на гранулометрический состав шлама.

На рис. 7.18 приведены зависимости фракционного состава шлама от коэффициента крепости для песчаника (fn = 8), известняка (fn= 10), гранита (f„= 16) и микрокварцита (fn = 18).

Зависимость фракционного состава шлама при бурении от крепости горной породы (fj для S = 20 мм при W = 20 -50Дж/мм

Рис. 7.18. Зависимость фракционного состава шлама при бурении от крепости горной породы (fj для S = 20 мм при Ws = 20 -50Дж/мм: 1 - фракция -5 мм; 2 - фракция +5 мм; 3 - фракция +10 мм

Увеличение крепости горной породы в 2,25 раза уменьшает долю мелкой фракции (-5 мм) на 19 % и повышает долю крупных (+5 мм, +10 мм) на 9 и 10 %, соответственно.

Подводя итог описанным выше исследованиям можно сделать следующие выводы:

  • • максимальный размер кусков шлама пропорционален расстоянию между электродами и практически не зависит от энерговклада в канал разряда;
  • • средние значения размеров наиболее крупных кусков уменьшаются с увеличением энерговклада как при лабораторных исследованиях, так и при бурении реальных скважин;
  • • состав шлама при ЭР-бурении, в первую очередь, зависит от расстояния между электродами: увеличение межэлектродного промежутка приводит к уменьшению доли мелких фракций и увеличению доли крупных;
  • • для пород повышенной крепости характерна меньшая доля мелких фракций и большая доля крупных;
  • • увеличение энерговклада вызывает возрастание доли мелких фракций и уменьшение доли крупных.

Полученные результаты позволяют осуществлять выбор и расчет системы промывки скважин, а также конструирование элементов бурового снаряда с целью повышения эффективности бурения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >